自古以來城市的發(fā)展就離不開水,逐水而居、因水而興,水滿足了城市生產(chǎn)生活、灌溉景觀、防洪排澇、航運(yùn)等多種需要。城市的給水排水系統(tǒng),伴隨著城市的繁榮而不斷發(fā)展,已經(jīng)成為城市文明史的重要組成部分。回顧城市水系統(tǒng)是如何產(chǎn)生的、又是如何伴隨著城市文明的進(jìn)步發(fā)展到今天;對(duì)我們更清晰地認(rèn)識(shí)城市水系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)、并研判其未來發(fā)展方向具有重要意義。
五千多年來城市發(fā)展的歷史可分為古代城市、近代城市、現(xiàn)代城市和當(dāng)代城市等不同階段,與之相應(yīng),不同階段的城市水系統(tǒng)也具有不同的特點(diǎn),體現(xiàn)在組成模式和技術(shù)方面,可以劃分為三個(gè)階段。
古代的城市水系統(tǒng)
這個(gè)時(shí)期隨著生產(chǎn)力的發(fā)展特別是畜牧業(yè)、手工業(yè)和商業(yè)社會(huì)分工的出現(xiàn),人類開始聚居并形成了城市。居民供水的需求以飲用水為主,井水、泉水以及河渠湖池是城市的主要水源,逐步建成的重力輸送、由渠道或管道組成的管渠系統(tǒng),以及一些簡(jiǎn)單的配套設(shè)施,組成了城市的給水系統(tǒng)。在排水方面,城市居民的尿液和糞便,起初由周邊的庭院消納,住宅變得密集以后,通常是由各家各戶的糞桶(在中國(guó)居民住宅內(nèi)有密實(shí)蓋子的赤土陶質(zhì)容器)或夜壺存放、規(guī)定時(shí)間收集后集中運(yùn)送至周邊農(nóng)村作為肥料;城市地區(qū)房屋密集、街道的土壤被壓實(shí),而且隨著人口的增長(zhǎng)和用水量的增加,開始需要有排水設(shè)施將雨污水引入附近的水體,為此城市里開始修建排水溝渠,并逐步相互連通形成了簡(jiǎn)單的合流制排水系統(tǒng)。這一階段城市水系統(tǒng)面臨的主要矛盾是隨著城市人口的聚集對(duì)水源水量日益增長(zhǎng)的需求(如圖1所示)。
圖1 古代的城市水系統(tǒng)模式圖
在這一時(shí)期的生產(chǎn)力水平下古代城市水系統(tǒng)也取得了一些不小的成就。中國(guó)古代城市的排水系統(tǒng)主要由溝渠、壕池和天然河湖組成,據(jù)考古發(fā)現(xiàn)最早的是距今4 300多年河南淮陽平糧臺(tái)古城鋪設(shè)的陶制排水管道;西周至春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前11世紀(jì)~前220年)下水管道得到普遍應(yīng)用、排水系統(tǒng)逐步完善,典型的有齊國(guó)臨淄城(人口約達(dá)30萬)完整的排水管道網(wǎng)。古代的給水最初依賴于鑿井取水,考古發(fā)現(xiàn)的最早的引水工程是約公元前700年東周陽城的地下輸水陶質(zhì)管道系統(tǒng),以及澄水池和閥門坑等配套設(shè)施。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大,城市供排水系統(tǒng)不斷發(fā)展,具有代表性的有公元前約200年的西漢長(zhǎng)安城(今西安)修建的龍首渠(引水渠)并開挖了相當(dāng)規(guī)模的昆明湖等用于調(diào)蓄排水;公元13世紀(jì)的元大都(今北京)開挖的金水河引水,并建有明渠暗溝組成的排水系統(tǒng)。
在西方公元前700年伊拉克埃爾比勒城就建成了約20 km長(zhǎng)的暗渠以輸送地下水。而最具有代表性的是約公元前300年古羅馬建成的較為完備的供排水系統(tǒng),當(dāng)時(shí)羅馬人口已增長(zhǎng)到50萬,建成了以河道、管道(鉛質(zhì))或地下隧道組成的引水渠,長(zhǎng)達(dá)400 km,中途設(shè)有到虹吸管、沉砂寬水槽、人工水塘等設(shè)施,將水供至部分私人住家或公共噴泉;除飲用外,還有大量的水用于沐浴和娛樂,人均綜合用水量達(dá)200~1 200 L/日;工程師們通過設(shè)計(jì)雙供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飲用水與非飲用的分質(zhì)供水,設(shè)計(jì)了分流池調(diào)蓄解決干旱期間配水問題。在排水方面,古羅馬建有獨(dú)立的尿液收集和利用系統(tǒng),采用獨(dú)立于公廁的公共小便池收集尿液后銷售給洗衣店,利用尿中的氨去除羊毛上的油漬和污垢,可以看作是一種源分離系統(tǒng)。古羅馬城市水系統(tǒng)所取得的成就也被認(rèn)為是古代文明最輝煌的奇跡之一,并隨著羅馬帝國(guó)的擴(kuò)張而傳遍歐洲,1613年倫敦建成了30 km長(zhǎng)的明渠引城外泉水和河水入城,城內(nèi)輸配水地下管道總長(zhǎng)達(dá)50 km。
近現(xiàn)代的城市水系統(tǒng)
隨著18世紀(jì)中葉的第一次工業(yè)革命,世界城市化發(fā)展逐步加快,城市得到了極大的發(fā)展和繁榮,人口和經(jīng)濟(jì)不斷集聚,城市環(huán)境卻惡化了。街道變得越來越骯臟,糞便、垃圾等得不到充分及時(shí)地處理,最終被沖刷到水中去;1596年英國(guó)發(fā)明了抽水馬桶并在1800年前后得以在各個(gè)城市普及,供水的服務(wù)范圍擴(kuò)大,從而污水的排放大大增加,最終使得一些水源受到了污染。1831年霍亂首次襲擊了倫敦,死亡人數(shù)達(dá)到3 000人,科學(xué)家調(diào)查發(fā)現(xiàn)了霍亂與水源污染之間的相關(guān)關(guān)系。隨后在1848年、1953年倫敦再次發(fā)生了霍亂,1890s美國(guó)的兩個(gè)沿河城市洛厄爾和勞倫斯爆發(fā)了傷寒,導(dǎo)致了上千人的死亡。針對(duì)水源污染及衛(wèi)生問題,起初依賴于古代的水系統(tǒng)模式,各城市采取了各種措施:如尋找新水源或取水口上移,遠(yuǎn)距離排水、沿海城市將污水排?;?qū)⑽鬯湃胫苓叺霓r(nóng)田進(jìn)行處理等等,如巴黎在19世紀(jì)中期修建了規(guī)模巨大的下水道系統(tǒng)(至今仍在使用)將污水排入6 km以外的下游,主干下水道高約3 m、寬約5 m,可供乘船游覽;19世紀(jì)美國(guó)紐約修建了大渡槽引190 km以外的水源入城,修建長(zhǎng)距離的排水地下隧道將污水排海等,將簡(jiǎn)單的工程不斷擴(kuò)張。但是,人們不久就發(fā)現(xiàn)這些措施捉襟見肘、不能有效應(yīng)對(duì)新問題,在此背景之下新的城市水系統(tǒng)模式應(yīng)運(yùn)而生:增加了凈水和污水處理單元(如圖2所示)。
在凈水處理方面,1893年勞倫斯市建設(shè)了第一個(gè)慢砂濾給水過濾廠,將傷寒患病率降低了80%;隨后為解決慢砂濾處理效率低的問題,快速砂濾器(絮凝—沉淀—砂濾工藝)被發(fā)明、并在全美城市普及,將病原微生物的去除效率提高到99%;后來氯氣開始被應(yīng)用于消毒,進(jìn)一步提高了飲水的衛(wèi)生安全。突破了氯氣生產(chǎn)的工業(yè)化技術(shù),過濾和消毒相結(jié)合的工藝逐漸成為給水(地表水源)處理的標(biāo)準(zhǔn)工藝,至1940s美國(guó)有大約85%的給水處理廠采用了上述工藝。
在污水處理方面,19世紀(jì)末許多城市開始嘗試采用沉降池通過重力作用去除部分水中的好氧性固體,以減少排污河道的惡臭問題;20世紀(jì)初德國(guó)人發(fā)明了英霍夫沉淀池,實(shí)現(xiàn)了固液分離和對(duì)污染物厭氧降解,并在歐洲和北美推廣應(yīng)用。隨后兩種不同的生物處理技術(shù)路線被發(fā)明:一種是生物濾池(或滴濾池),使用碎石取代沙質(zhì)土壤增加孔隙率,解決了氧氣損耗的問題。1887年馬薩諸塞州建成了美國(guó)第一套間歇生物濾池,曼徹斯特市建成了英國(guó)第一個(gè)生物濾池大型污水廠;另一種是活性污泥法,1913年英國(guó)吉爾伯特·福勒發(fā)明了活性污泥法,通過曝氣加快微生物的降解速率,剩余污泥可經(jīng)脫水干化制成肥料。自此,初級(jí)沉淀+二級(jí)生物處理構(gòu)成了經(jīng)典的污水處理工藝,隨后許多城市采用上述工藝陸續(xù)建設(shè)了污水處理廠。
然而,1962年蕾切爾·卡森的《寂靜的春天》出版發(fā)行,描述了殺蟲劑DDT在動(dòng)物體內(nèi)富集而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的長(zhǎng)期危害,被認(rèn)為是喚醒人類生態(tài)環(huán)保意識(shí)的啟蒙之作;1971年美國(guó)EPA在飲用水檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了可能致癌的消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷。這些事件推動(dòng)了人們對(duì)低濃度有機(jī)化合物污染對(duì)人類健康影響的關(guān)注,也使人們意識(shí)到水廠除了需要有效去除病原菌、耗氧有機(jī)物外,還需要有效去除有毒合成有機(jī)物和有毒金屬。為此,凈水廠增加了臭氧—活性炭或者超濾工藝單元、使用氯胺或者臭氧替代氯消毒等,目前美國(guó)約有10%~15%的大型飲用水處理廠使用活性炭或改用臭氧消毒;而污水處理廠則增加過濾、活性炭、離子交換或消毒等工藝單元。
近現(xiàn)代的城市水系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)飲用水衛(wèi)生和水環(huán)境的問題而興,凈水和污水處理技術(shù)的不斷突破引領(lǐng)了城市水系統(tǒng)的升級(jí)(如圖2所示)。
圖2 近現(xiàn)代的城市水系統(tǒng)模式圖和示意圖
當(dāng)代的城市水系統(tǒng)
進(jìn)入新世紀(jì)以來,隨著城市人口和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步集聚,城市水系統(tǒng)又面臨著新的挑戰(zhàn)。
由于水資源時(shí)空分布不均勻,一些城市水資源短缺、甚至發(fā)生了水資源危機(jī)。
合流制排水系統(tǒng)溢流污染(combined sewage overflow, CSO)及初期雨水徑流污染的問題。
即便是美國(guó),也是在1920s后要求在新建地區(qū)采用分流制排水系統(tǒng),目前仍約有部分城市區(qū)域使用合流制排水系統(tǒng),如紐約合流制排水體制約占60%。合流制排水系統(tǒng)暴雨期間排水量可能為旱季水量的10~20倍,排水管道的截流倍數(shù)是一定的,因此暴雨天會(huì)對(duì)污水廠產(chǎn)生沖擊負(fù)荷,而且會(huì)導(dǎo)致一些污水未經(jīng)處理便被排放水體。1995年美國(guó)EPA發(fā)布了CSO長(zhǎng)期控制規(guī)劃指南,并要求各城市制定CSO控制的短期計(jì)劃及長(zhǎng)期規(guī)劃,提出處理85%以上的年混合污水或每年CSO溢流次數(shù)不超過4次的控制目標(biāo)。對(duì)于分流制排水系統(tǒng),每次降雨期間也會(huì)由于雨水收集、輸送系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的破損或失效,帶來初期雨水的污染,有研究表明初雨徑流污染的負(fù)荷也有相當(dāng)可觀。另外,由于雨污管道在小區(qū)或市政道路上的錯(cuò)接混接,雨天也會(huì)帶來污染。
控制CSO的措施可以分為兩類:首先考慮的一類是改造措施,在合流制溢流污染頻繁的地區(qū)修建地下儲(chǔ)水隧道調(diào)蓄雨污水,以便在雨停后送到污水廠處理,如芝加哥市投資30億美元、堪薩斯市投資24億美元,波特蘭市投資14億美元修建了地下儲(chǔ)水隧道。改造方案需要的資金十分龐大,大多數(shù)城市可能望而卻步。另一個(gè)創(chuàng)新的方案是源頭控制方案,即進(jìn)入管網(wǎng)之前對(duì)小到中雨產(chǎn)生的徑流進(jìn)行滯蓄和處理,這個(gè)方案能有效地控制CSO以及初期雨水的徑流污染。如1990s美國(guó)的馬里蘭州喬治王子郡開始實(shí)施低影響開發(fā)(LID),應(yīng)用生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、雨水花園、下凹式綠地、透水鋪裝等源頭設(shè)施來減緩徑流污染。2011年費(fèi)城批準(zhǔn)了“綠色的城市、干凈的水域”的項(xiàng)目,計(jì)劃用25年的時(shí)間更換覆蓋城市的1/3的不透水地面,并截留最初的25 mm的降水,總投資達(dá)25億美元。除此外,還有英國(guó)的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(SUDS)、澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(WSUD)等都體現(xiàn)了這一創(chuàng)新思路。
氮磷(鉀)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量排入水體后,帶來水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題,影響水生態(tài)系統(tǒng)健康。
20世紀(jì)九十年代聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)的一項(xiàng)調(diào)查表明,全世界約有30%~40%的湖泊和水庫遭受著不同程度的水體富營(yíng)養(yǎng)化影響,各地區(qū)差異較大。我國(guó)人口稠密的“三河三湖”地區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化尤為嚴(yán)重,渤海北部和南海多次發(fā)生赤潮。2007年5月太湖爆發(fā)了嚴(yán)重的藍(lán)藻污染,造成無錫全城自來水的污染。
目前美國(guó)EPA設(shè)定了氮磷新的排放標(biāo)準(zhǔn),基于河湖生態(tài)健康的目標(biāo),要求污水處理廠適時(shí)應(yīng)用先進(jìn)的脫氮除磷處理工藝,并同時(shí)要求采取措施有效去除城市降雨徑流中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。2015年我國(guó)發(fā)布了“水十條”,其中明確:敏感區(qū)域(重點(diǎn)湖泊、重點(diǎn)水庫、近岸海域匯水區(qū)域)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施應(yīng)于2017年底前全面達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn);北京市、太湖和巢湖地區(qū)等地也出臺(tái)了更嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn);以加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的提標(biāo)改造。
由此可見,人們開始系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)城市水系統(tǒng)——自然水循環(huán)與社會(huì)水循環(huán)的耦合系統(tǒng),并著手通過對(duì)水循環(huán)過程各環(huán)節(jié)的控制來解決水資源水環(huán)境的問題,如圖3、圖4所示。
圖3 當(dāng)代的城市水系統(tǒng)模式圖
圖4 當(dāng)代的城市水系統(tǒng)示意圖
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